Wie funktioniert die Tiefe Hirnstimulation?

Wissenschaftler der Universitätsmedizin Mainz decken die Wirkungsweise der Tiefen Hirnstimulation (THS) bei Morbus Parkinson auf.

Eine etablierte Behandlungsform des Morbus Parkinson ist die Tiefe Hirnstimulation (THS), bei der Elektroden in den Nucleus subthalamicus implantiert werden. Die Wirkweise der damit einhergehenden klinischen Verbesserung, vor allem der Motorik, ist allerdings in bestimmten Aspekten noch unbekannt. Daher besteht der Fokus einer Arbeitsgruppe der Klinik und Poliklinik für Neurologie der Universitätsmedizin Mainz darin, die Auswirkungen der Neuromodulation auf die Hirnnetzwerke zu untersuchen. Die WissenschaftlerInnen um Prof. Sergiu Groppa untersuchten in ihrer Arbeit die Auswirkungen der Neuromodulation und vor allem der THS auf das Gehirn und auf dessen Netzwerke. Dabei gingen sie insbesondere der Frage nach, warum diese Therapie so effektiv die Symptome der Parkinson-Erkrankung lindert.

Die Arbeit zeigt eine bisher unbekannte Synchronisation zwischen der Stimulationsfrequenz der THS und der Aktivität bestimmter Gehirnregionen innerhalb des anvisierten Kortiko-Basalganglien-Netzwerks. Dies konnte mithilfe hochauflösender EEG-Aufzeichnungen in Verbindung mit Algorithmen zur Rekonstruktion der Gehirnaktivität und Analysen der frequenzabhängigen Kopplung nachgewiesen werden. Das Vorgehen führt im Anschluss zu einer Normalisierung der Aktivität in den verbundenen Arealen, die wieder physiologisch miteinander agieren.

Dabei spielt die Modulation zweier Frequenzbereiche, der Gamma- und Beta-Aktivität, eine entscheidende Rolle – diese sind auch für die Ausübung motorischer Fertigkeiten entscheidend. Zum einen wird die pathologische Beta-Aktivität unterdrückt und zum anderen die für die physiologische Funktionsweise im motorischen System notwendige Gamma-Aktivität gefördert. Die Kopplung zwischen eben diesen beiden Frequenzen ist, wie die Arbeit zeigt, auch eng mit dem Schweregrad der motorischen Symptome verbunden, und ihre Modulation tritt ausschließlich bei spezifischen Stimulationsfrequenzen auf, die im klinischen Alltag angewandt werden. Die Forscher nehmen daher an, dass die gezielte Modulation des Netzwerks dynamische neuronale Prozesse fördert und die Erkrankungssymptome minimiert.

Für die klinische Umsetzung erweist sich die Erkenntnis, dass mithilfe nicht invasiver Verfahren behandlungsbezogene Anpassungen der Stimulationsparameter erfolgen können – und das auch noch Monate nach der THS. Um den Verlauf der Parkinson-Erkrankung zu verfolgen und optimierte Therapieoptionen anbieten zu können, sind zukünftig weitere Fortschritte bei Netzwerkanalysen und bildgebungstechnischen Charakterisierungen der Patienten notwendig.

Originalpublikation:
Muthuraman M et al. Cross-frequency coupling between gamma oscillations and deep brain stimulation frequency in Parkinson’s disease. Brain 2020:awaa297.